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        一種雙聯(lián)波導(dǎo)同軸電纜組件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

        2018-07-04 01:41:06
        機(jī)電元件 2018年3期
        關(guān)鍵詞:示意圖產(chǎn)品設(shè)計(jì)

        ,

        (貴州航天電器股份有限公司,貴州貴陽,550009)

        1 引言

        同軸線和矩形波導(dǎo)因各有其鮮明的特點(diǎn),在微波系統(tǒng)中被廣泛采用。由于其結(jié)構(gòu)的不同,其中傳輸?shù)男盘?hào)模式和場(chǎng)結(jié)構(gòu)完全不同。在復(fù)雜的微波系統(tǒng)中通常需要在兩種傳輸結(jié)構(gòu)間多次轉(zhuǎn)換。因此,同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器成為各種雷達(dá)系統(tǒng)、精密制導(dǎo)系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)以及測(cè)試設(shè)備中不可缺少的一種無源轉(zhuǎn)換器件。

        近年來隨著導(dǎo)彈型號(hào)的快速發(fā)展,體積要求越來越小,精度等級(jí)越來越高,對(duì)各個(gè)元器件的要求逐漸提高。波導(dǎo)同軸電纜組件作為彈上必須使用的器件,應(yīng)用范圍廣,生命力強(qiáng),而波導(dǎo)同軸電纜組件目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積太大,性能不高,因此進(jìn)行高性能高可靠波導(dǎo)同軸電纜組件的自主研制勢(shì)在必行。

        2 產(chǎn)品研制

        2.1 產(chǎn)品組成

        雙聯(lián)波導(dǎo)電纜組件由雙聯(lián)波導(dǎo)、四聯(lián)模塊和低損穩(wěn)相電纜組成。

        2.2 產(chǎn)品功能及技術(shù)特點(diǎn)

        a)采用介質(zhì)波導(dǎo)界面和固定尺寸設(shè)計(jì),體積小,調(diào)試使用方便,可靠性高;

        b)采用模塊化設(shè)計(jì),四聯(lián)模塊固定安裝,單個(gè)SMP獨(dú)立浮動(dòng);

        c)同軸電纜彎曲后再進(jìn)行焊接,提高了產(chǎn)品電氣性能和可靠性。

        2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

        2.3.1 波導(dǎo)同軸電纜組件外形尺寸

        波導(dǎo):長(zhǎng)×寬×高:17.95mm × 18.5 mm × 13.85 mm。

        2.3.2 電氣性能

        介質(zhì)耐電壓:500V(海平面);

        絕緣電阻:≥1000MΩ(常態(tài));

        電壓駐波比:≤1.8(16GHz~18GHz);

        插入損耗:≤1.3dB(16GHz~18GHz)。

        2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.4.1 波導(dǎo)接口選擇和設(shè)計(jì)

        本產(chǎn)品采用的波導(dǎo)界面BJ140為介質(zhì)波導(dǎo)界面,波導(dǎo)內(nèi)腔裝入聚四氟乙烯介質(zhì)體,與空氣填充標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口相比尺寸小很多,精度要求更高,容易保證同軸度和電氣性能,更利于小型化設(shè)計(jì)。如圖1矩形波導(dǎo)界面尺寸 和表1矩形波導(dǎo)界面尺寸對(duì)比表。

        表1 矩形波導(dǎo)界面尺寸對(duì)比表

        圖1 矩形波導(dǎo)界面尺寸

        2.4.2 同軸探針的最佳安裝位置設(shè)計(jì)

        工作于TEM模的同軸線與工作于TE10模的矩形波導(dǎo)之間的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換如圖2所示,基本原理是利用同軸探針將微波能量激勵(lì)到波導(dǎo)腔體。在矩形波導(dǎo)內(nèi),同軸探針從波導(dǎo)的寬面伸入,形成一個(gè)小天線,它把微波能量輻射到波導(dǎo)的有限空間中,探針的兩端激勵(lì)起電磁波,為在波導(dǎo)中建立起單方向傳輸?shù)碾姶挪?,則在波導(dǎo)的一端用短路活塞把這一方向的波反射到需要的方向上去。調(diào)節(jié)短路活塞的位置可使同軸線與波導(dǎo)之間獲得良好的匹配。若波導(dǎo)滿足單模傳輸TE10模的條件,則可在其中激勵(lì)起TE10傳輸波。但由于激勵(lì)源的不均勻性,探針除激勵(lì)起TE10模外,還會(huì)在探針附近激起其他模式。對(duì)于單模波導(dǎo),除TE10模外所有高次模式都是截止的,在距離探針稍遠(yuǎn)的波導(dǎo)中,高次模的截止場(chǎng)都被衰減而消失,只剩下傳輸模式TE10模。在探針附近高次模的場(chǎng)具有儲(chǔ)能特性,它們同工作模式TE10進(jìn)行能量耦合,這相當(dāng)于在探針位置處給矩形波導(dǎo)引入了一個(gè)電抗(或電納)分量,從而導(dǎo)致同軸線中TEM模的反射,使電磁波能量不能全部進(jìn)入矩形波導(dǎo)。為使電磁能量能全部進(jìn)入波導(dǎo),可通過適當(dāng)調(diào)整探針的插入深度及改變短路活塞的位置以消除反射波來實(shí)現(xiàn)。在探針位于寬邊中央位置時(shí),D=λ/4時(shí)可以得到最大的激勵(lì),但在一些寬頻帶的情況下為了得到較好的匹配是會(huì)有變化的。

        一般波導(dǎo)與同軸之間轉(zhuǎn)換從原理上講有兩種。一種是電容性轉(zhuǎn)換,如圖3的(1)至(5)所示;另一種是電感性轉(zhuǎn)換,如圖3的(6)所示。

        圖2 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換原理示意圖

        圖3 波導(dǎo)與同軸之間的轉(zhuǎn)換模式

        為確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在頻率范圍內(nèi)符合各電氣性能,通常在設(shè)計(jì)仿真階段需適當(dāng)增加帶寬,并留出足夠的設(shè)計(jì)余量。在優(yōu)化參數(shù)時(shí)同步進(jìn)行誤差分析,確定各個(gè)目標(biāo)參數(shù)對(duì)技術(shù)性能的敏感性,為后續(xù)結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)提供信息。另外在進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)和工藝性。波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的饋入方式分正交型、端饋型二種,傳輸過渡分切比雪夫過渡、電抗和阻抗匹配二種。本產(chǎn)品擬采用正交型饋電方式,通過同軸電纜的芯線伸入波導(dǎo)腔中實(shí)現(xiàn)TE10模的激勵(lì),通過調(diào)節(jié)短路面的距離和探針的伸入長(zhǎng)度來提高性能,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

        正交激勵(lì)方式是指同軸探針垂直于波導(dǎo)寬面伸入到波導(dǎo)腔體內(nèi),實(shí)現(xiàn)電磁波在同軸的TEM模和波導(dǎo)的TE10模之間轉(zhuǎn)換。在實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)-同軸過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中,同軸探針模型結(jié)構(gòu)如圖5所示,同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑為2R1,外導(dǎo)體內(nèi)直徑為2R2。內(nèi)導(dǎo)體經(jīng)波導(dǎo)寬壁垂直插入波導(dǎo)腔里,深度為h,形成一個(gè)激勵(lì)探針,沿x軸坐標(biāo)為xp.波導(dǎo)端路,目的是使功率向一個(gè)方向傳輸,短路面與探針距離為l。

        圖5 同軸探針結(jié)構(gòu)示意圖

        要使電磁波同軸與波導(dǎo)之間有效轉(zhuǎn)換,應(yīng)使探針位于電場(chǎng)E最強(qiáng),且方向與其平行的位置。根據(jù)分析可知,探針應(yīng)安置在距封閉端1/4(或3/4,5/4)波長(zhǎng)的位置,且垂直于并位于寬邊中央。在產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程中,采用現(xiàn)代精密加工技術(shù)和仿真技術(shù),避免了調(diào)諧螺釘?shù)氖褂茫@著降低了調(diào)試的難度,保證產(chǎn)品在各種惡劣環(huán)境中的正常使用。

        選用電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS進(jìn)行波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。在軟件中建立參數(shù)化的仿真模型,短路面初始尺寸按λ/4、探針深度初始尺寸按波導(dǎo)的b/2。分別將短路面、探針深度、同軸容抗匹配臺(tái)階等作為優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

        正交激勵(lì)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換模型如圖6所示,對(duì)波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖7所示。

        圖6 正交激勵(lì)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器模型圖

        圖7 波導(dǎo)同軸仿真結(jié)果

        由仿真結(jié)果可知在16GHz~18GHz時(shí)駐波值為1.135。滿足駐波≤1.8的要求,且留有足夠余量。

        2.4.3 截止頻率計(jì)算

        空氣填充的同軸線的工作頻率,上限由TE11模截止頻率決定,也就是說一般同軸傳輸線總是工作在TEM波。當(dāng)出現(xiàn)第一階次高模時(shí),同軸線就不能再使用了,TE11模截止頻率的近似式為:

        通過上述公式可以近似計(jì)算出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的工作頻率上限,其中,

        f為工作頻率單位GHz,ε為傳輸介質(zhì)介電常數(shù),D為外導(dǎo)體內(nèi)徑,d為內(nèi)導(dǎo)體外徑。波導(dǎo)同軸電纜組件非金屬絕緣子部分,可供選擇的材料有PTFE,PEEK,PPO,PI,PEI。PTFE介電常數(shù)較低,價(jià)格便宜,因此選用PTFE材料。由公式可知,同樣的尺寸結(jié)構(gòu),介電常數(shù)越低,工作頻率就越高,將SMP系列的參數(shù)代入公式可知,截止頻率為45.6GHz,滿足波導(dǎo)的頻率范圍要求。

        矩形波導(dǎo)的主模是TE10模,截止頻率由kc2=ω2με決定,其截止波長(zhǎng)最長(zhǎng),等于2a。波導(dǎo)中不同模式的截止波長(zhǎng)是不同的,而當(dāng)波導(dǎo)尺寸和信號(hào)頻率一定時(shí),只有滿足λ<λc的模才能傳播。

        習(xí)慣上矩形波導(dǎo)寬邊a 大于窄邊b,故在矩形波導(dǎo)中,TE10模的截止波長(zhǎng)最長(zhǎng),是最低傳播模式。當(dāng)波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ǖ墓ぷ黝l率低于TE10模的截止頻率時(shí),電磁波將很快衰減,不能在波導(dǎo)中傳播。欲使波導(dǎo)中單獨(dú)存在最低模式TE10模,需保證高次模式不能出現(xiàn)。當(dāng)較低次的高次模截止時(shí),較高的高次模必然截止。

        TE10模單模存在的頻率范圍就是矩形波導(dǎo)的工作帶寬:

        根據(jù)GB11450.2-89中執(zhí)行,矩形波導(dǎo)的截止頻率f=149.9/a(GHz),矩形波導(dǎo)的起始頻率為1.25fc(GHz)=187.375/a(GHz),矩形波導(dǎo)終止頻率為1.9fc(GHz)=284.84/a(GHz),波導(dǎo)截止頻率見表2。

        表2 波導(dǎo)口頻率表

        2.4.4 電纜彎曲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        本產(chǎn)品因尺寸的限制,電纜高度不得超出法蘭的外形,因此電纜彎曲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。正常設(shè)計(jì)一般有二種方案,方案一是直接設(shè)計(jì)成彎曲的連接器,從側(cè)面出線和焊接,該方案的優(yōu)點(diǎn)是高度可以控制到法蘭內(nèi),但出線處長(zhǎng)度過長(zhǎng),很容易折到電纜,被排除;方案二是垂直插入焊接后,再進(jìn)行彎折,在這個(gè)過程中可以采用阻焊劑控制爬錫高度,理論上該方案可行,如圖8。

        圖8 電纜彎曲結(jié)構(gòu)示意圖

        圖中尺寸4.8和尺寸2.8對(duì)于波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的電性能影響特別大,這兩個(gè)尺寸為關(guān)鍵點(diǎn),而在方案二中,由于電纜需要再次彎曲,電纜彎曲的伸縮率不一樣,且電纜彎折半徑比較小,導(dǎo)致這兩個(gè)尺寸難以控制。因此設(shè)計(jì)方案三,使用定型工裝先根據(jù)圖紙要求對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)彎曲,同時(shí)對(duì)電纜進(jìn)行搪錫,然后使用定位工裝定位相關(guān)位置,最后再進(jìn)行焊接,電纜焊接后屏蔽層會(huì)有焊錫爬高現(xiàn)象,需要對(duì)焊錫爬高進(jìn)行控制。此處為關(guān)鍵控制點(diǎn),在工藝文件和質(zhì)量要求里需要重點(diǎn)關(guān)注。

        方案三的優(yōu)勢(shì)非常明顯,但工序能力要求高,工藝控制難度大,批量生產(chǎn)效率低,由此推出了只對(duì)芯線進(jìn)行彎折的結(jié)構(gòu),見圖9,方案四結(jié)構(gòu)示意圖。波導(dǎo)腔體中使用介質(zhì)進(jìn)行填充,電纜進(jìn)行剝線,對(duì)芯線進(jìn)行彎折,然后焊接電纜屏蔽層,焊接后的外導(dǎo)體通過螺釘安裝在波導(dǎo)上,電纜與波導(dǎo)軸線的角度通過波導(dǎo)上螺釘孔加工位置來確定相應(yīng)的角度,見圖10。方案四的雙聯(lián)波導(dǎo)3D示意圖見圖11,高度明顯減少,安裝更方便。

        圖9 方案四結(jié)構(gòu)示意圖

        圖10 外導(dǎo)體安裝示意圖

        圖11 方案四的雙聯(lián)波導(dǎo)3D示意圖

        方案四一經(jīng)推出,立即進(jìn)行產(chǎn)品性能仿真,由于出現(xiàn)了高低阻抗的變化,需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償,經(jīng)過大量的優(yōu)化仿真,也沒有得到和方案三一樣的優(yōu)化結(jié)果,在考慮到時(shí)間周期緊和產(chǎn)品性能要求高的前期下,暫時(shí)沒有采用方案四。

        2.4.5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        根據(jù)上述分析,結(jié)合產(chǎn)品的外形要求,二路雙聯(lián)波導(dǎo)同軸電纜組件的設(shè)計(jì)思路如下:波導(dǎo)腔體中使用介質(zhì)進(jìn)行填充,電纜芯線插入介質(zhì)體中,低損穩(wěn)相電纜90°彎折出線,屏蔽層焊接在波導(dǎo)外導(dǎo)體上,另一端焊接SMP連接器,外形如圖12所示。4路SMP連接器通過卡圈與四聯(lián)模塊相連,保證界面尺寸的一致性,雙聯(lián)波導(dǎo)同軸電纜組件的外形示意圖及波導(dǎo)處3D模型見圖13。

        圖12 波導(dǎo)和SMP焊接后示意圖

        圖13 外形示意圖及波導(dǎo)處3D模型

        3 實(shí)物測(cè)試

        產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后,對(duì)各零件進(jìn)行加工,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行駐波和插入損耗調(diào)試,完成組裝后產(chǎn)品如圖14所示。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試,插入損耗≤1.2,電壓駐波比≤1.6,滿足測(cè)試要求。

        圖14 產(chǎn)品實(shí)物圖

        4 結(jié)論

        本文介紹的產(chǎn)品采用聚四氟乙烯作為介質(zhì)支撐,即減小了波導(dǎo)口尺寸,又容易保證同軸度和電氣性能。在波導(dǎo)設(shè)計(jì)方面采用現(xiàn)代精密加工技術(shù)和仿真技術(shù),避免了調(diào)諧螺釘?shù)氖褂?,顯著降低了調(diào)試的難度。在同軸電纜的彎曲部位,為保證傳輸性能要求和安裝高度要求,直接使用電纜彎曲的方式,大大提高產(chǎn)品的性能和可靠性。采用四聯(lián)模塊的設(shè)計(jì)方式,將適配的同軸連接器端都集成到一個(gè)安裝支架上,大大減少了單個(gè)同軸連接器使用帶來的各種風(fēng)險(xiǎn)。

        參考文獻(xiàn):

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